1160
//111111111111111 i, G Q UIMI 111/1/11111/1//11/ N ovena edición RAYMOND HANG

Química raymond chang

Embed Size (px)

Citation preview

Q U I M I CA02330~~/~ ~~"II'/ 111/1/11111/1//11/
N ovena edición
Lista de elementos con sus símbolos y masas atómicas*
Número Masa Número Masa Elemento ~mbolo atómico atómica* Elemento Símbolo atómico atómica**
Actinio Ac 89 (227) Lutecio Lu 71 175.0 Aluminio Al 13 26.98 Magnesio Mg 12 24.31 Americio Am 95 (243) Manganeso Mn 25 54.94 Antimonio Sb 51 121.8 Meitnerio Mt 109 (266) Argón Al' 18 39.95 Mendelevio Md 101 (256) Arsénico As 33 74.92 Mercurio Hg 80 200.6 Astato At 85 (210) Molibdeno Mo 42 95.94 Azufre S 16 32.07 Neodimio Nd 60 144.2 Bario Ba 56 137.3 Neón Ne 10 20.18 Berilio Be 4 9.012 Neptunio Np 93 (237) Berkelio Bk 97 (247) Niobio Nb 41 92.91 Bismuto Bi 83 209.0 Níquel Ni 28 58.69 Bohrio Bh 107 (262) Nitrógeno N 7 14.01
. Boro B 5 10.81 Nobelio No 102 (253) Bromo Br 35 79.90 Oro Au 79 197.0 Cadmio Cd 48 112.4 Osmio Os 76 190.2 Calcio Ca 20 40.08 Oxígeno O 8 16.00 Californio Cf 98 (249) Paladio Pd 46 106.4 Carbono C 6 12.01 Plata Ag 47 107.9 Cerio Ce 58 140.1 Platino Pt 78 195.1 Cesio Cs 55 132.9 Plomo Pb 82 207.2 Cloro CI 17 35.45 Plutonio Pu 94 (242) Cobalto Co 27 58.93 Polonio Po 84 (210) Cobre Cu' 29 63.55 Potasio K 19 39.10 Criptón Kr 36 83.80 Praseodimio Pr 59 140.9 Cromo Cr 24 52.00 Proactinio Pa 91 (231) Curio Cm 96 (247) Prometio Pm 61 (147) Darmstadtio Ds 110 (269) Radio Ra 88 (226) Disprosio Dy 66 162.5 Radón Rn 86 (222) Dubnio Db 105 (260) Renio Re 75 186.2 Einstenio Es 99 (254) Rodio Rh 45 102.9 Erbio El' 68 167.3 Roentgenio Rg 111 (272) Escandio Sc 21 44.96 Rubidio Rb 37 85.47 Estaño Sn 50 118.7 Rutenio Ru 44 101.1 Estroncio Sr 38 . 87.62 Ruterfordio Rf 104 (257) Europio Eu 63 152.0 Sarnario Sm 62 150.4 Fermio Fm 100 (253) Seaborgio Sg 106 (263) Flúor F 9 19.00 Selenio Se 34 78.96 Fósforo P 15 30.97 Silicio Si 14 28.09 Francio Fr 87 (223) Sodio Na 11 22.99 Gadolinio Gd 64 157.3 Talio TI 81 204.4 Galio Ga 31 69.72 Tántalo Ta 73 180.9 Germanio Ge 32 72.59 Tecnecio Tc 43 (99) Hafnio Hf 72 178.5 Telurio Te 52 127.6 Hassio Hs 108 (265) Terbio Tb 65 158.9 Helio He 2 4.003 Titanio Ti 22 47.88 Hidrógeno H 1 1.008 Torio Th 90 232.0 Hierro Fe 26 55.85 Tulio Tm 69 168.9 Holmio Ho 67 164.9 Tungsteno W 74 183.9 Indio In 49 114.8 Uranio U 92 238.0 Iridio Ir 77 192.2 Vanadio V 23 50.94 Iterbio Yb 70 173.0 Xenón Xe 54 131.3 Itrio Y 39 88.91 Yodo 1 53 126.9 Lantano La 57 138.9 Zinc Zn 30 65.39 Laurencio Lr 103 (257) Zirconio Zr 40 91.22 Litio Li 3 6.941
* Todas las masas atómicas tienen cuatro cifras significativas. Estos valores son los que recomienda el Comité para la enseñanza de la química de la lnternational Unian of Pure and Applied Chemistry, ** Los valores aproximados de las masas atómicas se señalan entre paréntesis.
http://carlos2524.jimdo.com/
Universidad Autónoma Metropolitana, Xochimilco UNAM, Facultad de Ciencias
. ...---- -- José Clemente Reza
OD31 .2 C454 2007 RAYMOND CHANG 1111/1111111111111111111111111111111111111111111111111111111
0233006194 OUIMICA
C. 'f5 '{ ;:¿ CJ 0.:;
MÉXICO· BOGé>TÁ· BUENOS AIRES· CARACAS· GUATEMALA· LISBOA· MADRID NUEVA YORK. SAN JUAN • SANTIAGO· AUCKLAND· LONDRES. MILÁN
MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO
http://carlos2524.jimdo.com/
Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón Editor spousor: Pablo E. Roig Vázquez Editora de desarrollo: Lorena Campa Rojas Supervisor de producción: Zeferino García García
Traducción: Erika Jasso Hernán D'Bourneville
QUÍMICA Novena edición
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.
_ McGraw-Hill _ Inleramericana
DERECHOS RESERVADOS © 2007 respecto a la novena edición en español por McGRAW-HILLIINTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE c.v. A Subsidiary ofThe McGraw-Hill Companies, ¡ne.
Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón c.P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736
ISBN-13: 978-970-10-6111-4 ISBN-lO: 970-10-6111-X
Traducido de la novena edición de: CHEMISTRY by Raymond Chang Copyright © 2007 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.
La sección de créditos para este libro comienza en la página C- t y_ se considera como. una extensión de la página legal.
ISBN-lO: 0-07-298060-5 ISBN-13 : 978-0-07-298060-8
09765432108
The McGraw-HIII Companles "';~,
Acerca del autor
Raymond Chang nació en Hong Kong y creció en Shangai y en
Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en química por la London University,
en Inglaterra y se doctoró en química en Yale University. Después de rea­
lizar su investigación posdoctoral en Washington University y enseñar du­
rante un año en Hunter College of the City University of New York, se
unió al departamento de química en Williams College, donde ha enseña­
do desde 1968.
El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American Chemi­
cal Society Examination Comrnittee, el National Chemistry Olympiad
Examination Comrnittee y. el Graduate Record Examinations (GRE)
Comrnittee. Es editor de la obra titulada The Chemical Educator. El pro­
fesor Chang ha escrito libros sobre fisicoquímica, química industrial y
ciencia física. También ha participado como autor de libros sobre el idio­
ma chino, libros infantiles de fotografías y una novela de literatura juve­
nil.
Para relajarse, el profesor Chang cultiva un jardín selvático, juega te­
nis, ping-pong, toca la harmónica y practica el violín.
Imágenes de la portada A la izquierda complejo Pb2+ - AEDT. En medio: mapa del potencial electrostáti­
co que muestra la conformación del H2 a partir de dos átomos de H. A la derecha:
estructura helicoidal-a de una molécula de proteína.
v
http://carlos2524.jimdo.com/
http://carlos2524.jimdo.com/
2 Átomos, moléculas e iones 40
3 Relaciones de masa en las reacciones químicas 76
4 Reacciones en disolución acuosa 118
5 Gases 168
6 Termoquímica 222
7 La teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos 266
8 Relaciones periódicas entre los elementos 314
9 Enlace químico 1: Conceptos básicos 356
10 Enlace químico 11: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 398
11 Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 450
12 Propiedades físicas de las disoluciones 502
13 Cinética química 544
14 Equilibrio químico 600
16 Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 696
1 7 Química en la atmósfera 750
18 Entropía, energía libre y equilibrio 782
19 Electroquímica 818
21 Elementos no metálicos y sus compuestos 894
22 Química de los metales de transición y compuestos de coordinación 934
23 Química nuclear 966
24 Química orgánica 1002
Apéndice 1 Derivación de nombres de los elementos
Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases
Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C
Apéndice 4 Operaciones matemáticas A -13
A-1
A-7
A-8
vii
http://carlos2524.jimdo.com/
http://carlos2524.jimdo.com/
Lista de aplicaciones xxi Prefacio xxiii Una nota para el estudiante xxxi
Química: el estudio del cambio 2 1.1 Química: una ciencia para el siglo XXI 4
1.2 El estudio de la química 7
1.3 El método científico 8
LA QUíMICA en acción El helio primordial y la teoría del Big-Bang 10
1.4 Clasificación de la materia 11
1.5 Los tres estados de la materia 13
1.6 Propiedades físicas y químicas de la materia 14
1.7 Mediciones 15
LA QUíMICA en acción La importancia de las unidades 20
1.8 El manejo de los números 21
1.9 Análisis dimensional en la resolución de problemas 27
Resumen de datos y conceptos 31 Palabras clave 31 Preguntas y problemas 31
MISTERIO de la química La desaparición de los dinosaurios 38
Átomos, moléculas e iones 40 2.1 La teoría atómica 42
2.2 La estructura del átomo 43
2.3 Número atómico, número de masa e isótopos 49
2.4 La tabla periódica 50
LA QUíMICA en acción Distribución de los elementos en la Tierra
y en los sistemas vivos 52
2.5 Moléculas e iones 53
2.6 Fórmulas químicas 54
2.8 Introducción a los compuestos orgánkos 68
Resumen de datos y conceptos 69 Palabras clave 70
. Preguntas y problemas 70
Relaciones de masa en las reacciones químicas 76 3.1 Masa atómica 78
3.2 Número de Avogadro y masa molar de un elemento 79
3.3 Masa molecular 83
3.5 Composición porcentual de los compuestos 86
3.6 Determinación experimental de fórmulas empíricas 90
3.7 Reacciones químicas y ecuaciones químicas 92
3.8 Cantidades de reactivos y productos 97
3.9 Reactivos limitantes 101
LA QUíMICA en acción Fertilizantes químicos 104
Resumen de datos y conceptos 106 Palabras clave 107 Preguntas y problemas 107
Reacciones en disolución acuosa 4.1 Propiedades generales de las disoluciones acuosas
4.2 Reacciones de precipitación 122
LA QUíMICA en acción Una reacción de precipitación indeseable 126
4.3 Reacciones ácido-base 127
4.4 Reacciones oxidación-reducción 131
4.6 Análisis gravimétrico 148
LA QUíMICA en acción Metal proven iente del mar 155
Resumen de datos y conceptos 156 Palabras clave 156 Preguntas y problemas J 57
118 120
Gases 168
5.2 Presión de un gas 171
5.3 Las leyes de los gases 175
5.4 Ecuación del gas ideal 181
5.5 La estequiometría de los gases 190
5.6 Ley de Dalton de las presiones parciales 192
5.7 La teoría cinética molecular de los gases 197
LA QUíMICA en acción El buceo y las leyes de los gases 198
LA QUíMICA en acción Átomos enfriados 205
5.8 Desviación del comportamiento ideal 206
Resumen de datos y conceptos 209 Palabras clave 209 Pregu:ntas Y problemas 209
MISTERIO de la química Sin oxígeno 220
Termoquímica 222 6.1 Naturaleza y tipos de energía 224
6.2 Cambios de energía en las reacciones químicas 225
6.3 Introducción a la termodinámica 227
6.4 Entalpía de las reacciones químicas 232
LA QUíMICA en acción Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta 233
6.5 Calorimetría 239
LA QUíMICA en acción Valores energéticos de los alimentos y otras sustancias 245
6.6 Entalpía estándar de formación y de reacción 246
LA QUíMICA en acción Cómo se defiende el escarabajo bombardero 251
6.7 Calor de disolución y de dilución 252
Resumen de datos y conceptos 254 Palabras clave 254 Preguntas y problemas 255
MISTERIO de la química El neumático explosivo 264
xi
http://carlos2524.jimdo.com/
Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos 266
7.1 De la física clásica a la teoría cuántica 268
7.2 El efecto fotoeléctrico 272
7.3 Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno 274
7.4 La naturaleza dual del electrón 279
LA QUíMICA en acción Láser: la luz esplendorosa 280
LA QUíMICA en acción Microscopía electrónica 283
7.5 Mecánica cuántica 283
7.6 Números cuánticos 286
7.7 Orbitales atómicos 288
7.8 Configuración electrónica 292
7.9 El principio de construcción 298
Resumen de datos y conceptos 302 Palabras clave 303 Preguntas y problemas 303
MISTERIO de la química Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio
Relaciones periódicas entre los elementos 314
8.1 Desarrollo de la tabla periódica 316
8.2 Clasificación periódica de los elementos 318
8.3 Variaciones periódicas de las propiedades físicas 322
LA QUíMICA en acción ¿El tercer elemento líquido? 329
8.4 Energía de ionización 329
8.5 Afinidad electrónica 333
8.6 Variación de las propiedades químicas de los elementos representativos 335
LA QUíMICA en acción El descubrimiento de los gases nobles 346
Resumen de datos y conceptos 347 Palabras clave 348 Preguntas y problemas 348
312
http://carlos2524.jimdo.com/
ffrld .® 6 S~ - t.J~'¡';-- -'&'" F cttlj tl}';- ~-, el
~U~
Contenido xiii
Enlace químico 1: Conceptos básicos 356 9.1 Símbolos de puntos de Lewis 358
9.2 El enlace iónico 359
9.3 Energía reticular de los compuestos iónicos 361
~ LA QUíMICA en acción Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante 365
9.4 El enlace covalente 366
9.5 Electronegatividad 369
9.8 El concepto de resonancia 377
9.9 Excepciones a la regla del octeto 379
LA QUíMICA en acción Sólo diga NO 384
9.10 Entalpía de enlace 385
Resumen de datos y conceptos 390 Palabras clave 390 Preguntas y problemas 390
Enlace químico II: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 398 10.1 Geometría molecular 400
10.2 Momento dipolar 409
LA QUíMICA en acción Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción 412
10.3 Teoría del enlace valencia 415
10.4 Hibridación de orbitales atómicos 417
10.5 Hibridación en moléculas que contienen enlaces dobles y triples 426
10.6 Teoría del orbital molecular 429
10.7 Configuraciones de orbitales moleculares 432
10.8 Orbitales moleculares deslocalizados 437
Resumen de datos y conceptos 439
LA QUíMICA en acción El buckybalón 440
Palabras clave 442 Preguntas y problemas 442
/
xiv Contenido
Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 450 11.1 La teoría cinética molecular de líquidos y sólidos 452
11.2 Fuerzas intermoleculares 453
11.4 Estructura cristalina 462
LA QUíMICA en acción ¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? 463
11.5 Difracción de rayos X por los cristales 469
11.6 Tipos de cristales 471
LA QUíMICA en acción Superconductores a altas temperaturas 476
11.7 Sólidos amorfos 476
LA QUíMICA en acción y todo por un botón 478
11.8 Cambios de fase 479
11.9 Diagramas de fase 488
LA QUíMICA en acción Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas de presión y el patinaje sobre hielo 490
LA QUíMICA en acción Cristales líquidos 491
Resumen de datos y conceptos 493 Palabras clave 493 Preguntas y problemas 494
Propiedades físicas de las disoluciones 502 12.1 Tipos de disoluciones 504
12.2 Enfoque molecular del proceso de disolución 505
12.3 Unidades de concentración 507
12.4 Efecto de la temperatura en la solubilidad 511
12.5 Efecto de la presión en la solubilidad de los gases 513
12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrólitos 515
LA QUíMICA en acción El lago asesino 516
12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrólitos 528
LA QUíMICA en acción Desalinización 530
12.8 Coloides 530
Preguntas y problemas 534
http://carlos2524.jimdo.com/
Contenido
Cinética química 544 13.1 La velocidad de una reacción 546
13.2 Ley de la velocidad 553
13.3 Relación entre la concentración de reactivos y el tiempo 557
LA QUíMICA en acción Determinación de la edad del Sudario de Turín 568
13.4 Constantes de velocidad y su dependencia de la energía de activación y de la temperatura 568
13.5 Mecanismos de reacción 575
LA QUíMICA en acción Femtoquímica 580
13.6 Catálisis 581
Resumen de datos y conceptos 588 Palabras clave 589 Preguntas y problemas 589
Equilibrio químico 600 14.1 El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 602
14.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 604
14.3 Relación ente cinética química y equilibrio químico 616
14.4 ¿Qué información proporciona la constante de equilibrio? 617
14.5 Factores que afectan el equilibrio químico 623
LA QUíMICA en acción La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina 630
LA QUíM ICA en acción El proceso Haber 631
Resumen de datos y conceptos 632 Palabras clave 632 Preguntas y problemas 633
Ácidos y bases 644 15.1 Ácidos y.bases de Br¡;lnsted 646
15.2 Propiedades ácido-base del agua 647
15.3 El pH: una medida de la acidez 649
15.4 Fuerza de los ácidos y las bases 652
15.5 Ácidos débi les y la constante de ionización de un ácido 656
15.6 Bases débiles y la constante de ionización de una base 663
15.7 Relación entre las constantes de ionización de los ácidos
15.8 15.9
Estructura molecular y fuerza de los ácidos
15.10 Propiedades ácido-base de las sales 674
670
15.11 Propiedades ácido-base de los óxidos y los hidróxidos 679
xv
http://carlos2524.jimdo.com/
15.12 Ácidos y bases de Lewis 682
LA QUíMICA en acción Antiácidos y el balance del pH en el estómago 684
Resumen de datos y conceptos 686 Palabras clave 686 Preguntas y problemas 686
MISTERIO de la química La descomposición de los papeles 694
Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 696 16.1 Comparación entre los equilibrios homogéneo
y heterogéneo en disolución 698
16.2 Efecto del ion común 698
16.3 Disoluciones amortiguadoras 701
LA QUíMICA en acción Mantenimiento del pH de la sangre 706
16.4 Valoraciones ácido-base 708
16.5 Indicadores ácido-base 716
16.7 Separación de iones por precipitación fraccionada 725
16.8 El efecto del ion común y la solubilidad 727
16.9 El pH Y la solubilidad 728
16.10 Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad 731
LA QUíMICA en acción ¿Cómo se forma un cascarón de huevo 737
16.11 Aplicación del principio del producto de solubilidad al análisis cualitativo 737
Resumen de datos y conceptos 739 Palabras clave 740 Preguntas y problemas 740
MISTERIO de la química Un duro bocadillo 748
Química en la atmósfera 750 17.1 La atmósfera terrestre 752
17.2 Los fenómenos en las capas externas de la atmósfera 755
17.3 Disminución del ozono en la estratosfera 757
17.4 Los volcanes 762
17.8 Contaminación doméstica 773
Contenido xvii
Resumen de datos y conceptos 776 Palabras clave 776 Preguntas y problemas 776
Entropía, energía libre y equilibrio 782
18.1 Las tres leyes de la termodinámica 784
18.2 Los procesos espontáneos 784
18.3 Entropía 785
18.4 La segunda ley de la termodinámica 790
LA QUíMICA en acción La eficiencia de las máquinas térmicas 796
18.5 La energía libre de Gibbs 796
18.6 La energía libre y el equilibrio químico 803
LA QUíMICA en acción La termodinámica de una liga 807
18.7 La termodinámica en los sistemas vivos 808
Resumen de datos y conceptos 809 Palabras clave 810 Preguntas y problemas 810
Electroquímica 818
19.4 Espontaneidad de las reacciones redox 831
19.5 Efecto de la concentración sobre la fem de la celda 834
19.6 Baterías 839
19.7 Corrosión 844
19.8 Electrólisis 848
LA QUíMICA en acción Molestia producida por las amalgamas dentales 853
Resumen de datos y conceptos 854 Palabras clave 855 Preguntas y problemas 855
MISTERIO de la química Agua sucia 864
http://carlos2524.jimdo.com/
XVlll Contenido
Metalurgia y la química de los metales 866 20.1 Abundancia de los metales 868
20.2 Procesos metalúrgicos 868
20.5 Los metales alcalinos 879
20.6 Los metales alcalinotérreos 883
20.7 Aluminio 885
LA QUíMICA en acción Reciclado de aluminio 888
Resumen de datos y conceptos 888 Palabras clavi; 889 Preguntas y problemas 889
Elementos no metálicos y sus compuestos 894 21.1 Propiedades generales de los no metales 896
21.2 Hidrógeno 896
21.3 Carbono 902
LA QUíMICA en acción Gas sintético a partir del carbón 905
21.4 Nitrógeno y fósforo 906
21.5 21.6
LA QUíMICA en acción Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo 913
Oxígeno y azufre
914
921
Resumen de datos y conceptos 928 Palabras clave 929 Preguntas y problemas 929
Química de los metales de transición y compuestos de coordinación 934 22.1 Propiedades de los metales de transición 936
22.2 La química del hierro y del cobre 939
22.3 Compuestos de coordinación 940
22.4 Estructura de los compuestos de coordinación 946
22.5 El enlace en los compuestos de coordinación: teoría del campo cristalino 949
22.6 Reacciones de los compuestos de coordinación 955
22.7 Aplicaciones de los compuestos de coordinación 955
http://carlos2524.jimdo.com/
Contenido xix
LA QUíMICA en acción Compuestos de coordinación en los sistemas vivos 956
LA QUíMICA en acción Cisplatino: el medicamento anticancerígeno 958
Resumen de datos y conceptos 959 Palabras clave 960 Preguntas y problemas • 960
MISTERIO de la química Datación de pinturas con el azul de Prusia 964
Química nuclear 966 23.1 L a naturaleza de las reacciones nucleares 968
23.2 Estabilidad nuclear 970
23.3 Radiactividad natural 975
23.4 Transmutación nuclear 978
23.5 Fisión nuclear 981
LA QUíMICA en acción El reactor de fisión nuclear de la naturaleza 986
23.6 Fusión nuclear 987
LA QUíMICA en acción Irradiación de los alimentos 993
Resumen de datos y conceptos 994 Palabras clave 994 Preguntas y problemas 994
MISTERIO de la química El arte de la falsificación en el siglo xx 1000
Química orgánica 1002
24.2 Hidrocarburos alifáticos 1004
24.3 Hidrocarburos aromáticos 1017
LA QUíMICA en acción La industria del petróleo 1026
Resumen de datos y conceptos 1029 Palabras clave 1029 Preguntas y problemas 1029
MISTERIO de la química La desaparición de huellas digitales 1036
http://carlos2524.jimdo.com/
Polímeros orgánicos sintéticos y naturales 1038 25.1 Propiedades de los polímeros 1040
25.2 Polímeros orgánicos sintéticos 1040
25.3 Proteínas 1045
LA QUíMICA en acción Anemia de células falciformes: una enfermedad molecular 1052
25.4 Ácidos nucleicos 1054
LA QUíMICA en acción Huella digital del DNA 1057
Resumen de datos y conceptos 1058 Palabras clave 1058 Preguntas y problemas 1058
MISTERIO de la química Una historia que le erizará los cabellos 1062
Apéndice 1 Derivación de los nombres de los elementos A-1
Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases A-7
Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C A-8
Apéndice 4 Operaciones matemáticas A -13
Glosario G-1 Respuestas a problemas pares AP-l Créditos C-1 Índice 1-1
http://carlos2524.jimdo.com/
El enunciado de apertura de esta obra es: "La química es una ciencia activa y en evolución, de una importancia vital para nuestro mundo, tanto en el ámbito de la naturaleza como en el de la sociedad." A través de este texto, las secciones tituladas La química en acción y Misterio de la química presentan ejemplos de química específicos que muestran su activi­ dad y su evolución en todas las facetas de nuestras vidas.
LA QUíMICA en acción El helio primordial y la teoría del Big-Bang
La importancia de las unidades
Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos
Fertilizantes químicos
Alcoholímetro
Átomos superenfriados
Cómo se defiende el escarabajo bombardero
Láser: la luz esplendorosa
Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante
Sólo diga NO
El buckybalón
¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo?
Superconductores a altas temperaturas
y todo por un botón
Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas de presión y el patinaje sobre hielo
Cristales líquidos
Femtoquímica
La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina
El proceso Haber
10 20 52
104
126 143 155 198 205 233 245 251 280 283 329 346 365 384 412 440
463 476 478
xxi
http://carlos2524.jimdo.com/
¿Cómo se forma un cascarón de huevo?
La eficiencia de las máquinas térmicas
La termodinámica de una liga
Energía bacteriana
Reciclado del aluminio
Compuestos de coordinación en los sistemas vivos
Cisplatino: el medicamento anticancerígeno
Irradiación de los alimentos
Hielo que se quema
La industria del petróleo
Huella digital del ADN
¿Quién asesinó a Napoleón?
Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio
El cuchillo equivocado
Un duro bocadillo
Datación de pinturas con el azul de Prusia
El arte de la falsificación en el siglo xx La desaparición de huellas digitales
Una historia que le erizará los cabellos
706 736 796 807 843 853 888 901 905 913
956 958 986 993
1062
http://carlos2524.jimdo.com/
D esde la primera edición, mi intención ha sido escri­ bir un libro de química general que proporcionara una base sólida de los conceptos y principios quími­
cos, y que infundiera en los estudiantes una apreciación de la parte vital que tiene la química en nuestra vida diaria. Es mi responsabilidad como a~tor de este libro de texto ayudar tan­ to a los profesores como a sus estudiantes a alcanzar este ob­ jetivo mediante la presentación clara y lógica de una amplia gama de temas. Siempre que ha sido posible he tratado de encontrar un balance entre la teoría y la práctica, y de ilus­ trar los principios básicos con ejemplos cotidianos. Pero sobre todo, el objetivo principal ha sido escribir un texto comprensible y claro.
Con cada nueva edición he tratado de mejorar la peda­ gogía empleada para desarrollar en los estudiantes habilida­ des de pensamiento crítico y de resolución de problemas, así como encontrar formas nuevas y efectivas para presentar conceptos químicos abstractos.
Lo nuevo en esta edición Muchas secciones de este texto han sido revisadas y actuali­ zadas gracias a los comentarios de revisores y usuarios. A continuación se muestran algunos ejemplos:
o Las páginas de apertura de cada capítulo cuentan con una sección titulada "Avance del capítulo", la cual pro-
porciona a los estudiantes una visión general de los te­ mas que se abordarán en el mismo.
o Todas las ecuaciones y respuestas para la mayor parte de los ejercicios resueltos se encuentran sombreadas para facilitar su ubicación visual en el texto.
o Se ha agregado una introducción a los compuestos orgá­ nicos en la sección 2.8.
o Se ha revisado el tema del capítulo 4 que trata los tipos de reacciones (precipitación y ácido-base).
o Se ha awpliado el análisis de la difusión y efusión de ga­ ses de la sección 5.7.
o En la sección 13.3 ahora se analizan las reacciones de orden cero, además de las reacciones de primer y segun­ do orden.
o En la sección 15.3 se compara la definición del pH con los conceptos de concentración y actividad.
o Se han actualizado varios ensayos de las secciones titu­ ladas La química en acción y se agregaron dos nuevos a los capítulos 11 y 19.
o Se ha añadido un nuevo Misterio de la química al capí­ tulo 7.
o Al igual que en la edición anterior se ha logrado una buena mezcla de problemas fáciles , intermedios y difíci­ les al final de cada capítulo. Además de los problemas especiales se agregó una nueva categoría que contiene otros aún más desafiantes.
xxiii
http://carlos2524.jimdo.com/
xxiv Prefacio
Arte Como siempre, me he esmerado por lograr un diseño limpio pero atractivo a la vista. Cada capítulo abre con dos páginas que contienen una foto acompañada de sus correspondientes modelos moleculares para ilustrar el proceso físico o químico a nivel molecular.
Un globo leno de tt;drOgenoe~­ pIo1aalcalenlarlocoo l1li8 llama. E1hidrógenogaseosQteaCciona con el (lldgeno que está en el a;. re para klrrnar vapor de '9U3-La quiTOcae$elesIu(Ii;)delaspoo. piedades de la materia y óGlos C3IT"bios que ésIa e>cpeomeru. lo&lT"C>deIosp¡-tr.iCf1UInlasrn> lé<:tJIas de hidlOgeoo. adgeno Y
El estudio del cambio
f;l cslooiodelaqu[mic:l
l'ropied3desfisic;lsyquími«lSdelamaleria
Mediciones
F..1m;.ncjodeIOllnÚmeros
An~li.~ i s dimc<lsio<lal en In resoluci ón de problcrnas
AVANCE DEL CAPíTULO • E.~te <::1(>1\1110 da ¡nido ron Unol breve ¡nlraducción al estudio de la qulmica)" su función dc mm
de la sociedad moderna. (1 .1 y 1.2)
• A continuxión se oonoccrnn las bases del rntlodo cien. mm. el ~u.ll es lII13 metodología ';51". mitic:apamlainvesligacioo cnlotbslasdisciplil\:lS.(1.3)
• Sedefonirj elr.:onceptodcmaccriayseob!;er.;u-:l q ue una sustaOOapur.lpuNo:iiCrundc,""n. 100 un compuesto. Scdi>tinguir.1 enlre un;¡ mCICla homogáIea y una hclcrogénca. Se apmldc­ r.lquc.cnprincipio.lO<b lamatcriapunleu¡sti .enC\lóllqukl'lldctrn~sólido. l fquido opseoso.(1.4 y I.S )
• P3ra~zarunasusunciacsnecesariot'OllOCeTwspropic<bdcsflsic:ls,bsCUJlcs_ob­ scr"o':lblcs sin 'luc sus prop;cd:ldes q ufmit:15 e identidad sufran cambio :JIguoo,loqlX' sólo pue. de demostnrse medianlc cambios qulmiCO!i. ( 1.6)
• Debidoaquclaquímicacsunacienci;¡uperirnel\l:>l.implicadusode lasmediciones.Scoo­ nocerán las unidada básicasdcl SI (SiSlem:> Imcmacional de medidas) y se cmple:lrán sus uni· dJdes dcri,Oldas en cantidades C()OI() el lIOI url"lCn y la densidad. Tambi4!n se estudiar:ln las lres cscalasdc lempenllur.l: Celsius, Fahmlheil y Kclvin. (1.7)
• Con rrccucncia,loscllculos químicos implican el usodecantid:xles muy pequclbso mu)' grnn­ dc$, 'j una m.mern ~ieOI~ paro tratar oon algunas de eStaS e ifr.!.' es la nouciÓl1 cie ntífic, .. En los cá!eul<>s O mfflici~..ad.lC"~midaddebe present:lrel núm~~U:ldl)<k cir .... ~$ sigoi ­ ficali,,,,,, Ia.'queoom:sponden ndrgilos importanles. (1 .8)
• Por último, se ~nl~ nde¡;j la utilidad del ,'o~I;, i s dimensional para los cálcul os quím i\.\)!\. Al l1e v;lrc~da unidad a lo I~rgu de la secuencia com pl ' la de cálculos. lodas I~s \lnid,odcs .'C cancebn. a excepdón de lacmllidad buscada. ( 1.9)
L~~~:!~a ~1::I~~=~~~;:;i:!~~~':s~:~=~~:~g:~ l~nq:~:r;:::~CI: dos se:midos una ciencia moderna. como se: wr.l poco más adcl,uue.
Se iniciará el estudio de la químic:l en el ni\".:! macroscópico. ~-n. el que es posible obsc:r\"ar y mctJir l(X<rn:l\criales que formannUCSlromundo.Enestec:tpilulose:anali"L:U":ielm~UloJocicnlifiro,
que es b rose par.! b im-.::sligac:i6n no sólo en quimic:l, ~no tambi<'n en las dem;b e'eoo:u. I...utgn.
se~brir:i l:!f<lml:l en que losciemifirosdefincnyc:u:tClerizan"lamaleria.Pc&Ieri<trmtn!e.se
,:
II
Gran parte de los dibujos y esquemas tienen una nueva apariencia, no obstante, siguen conservando la información quí­ mica exacta. Por ejemplo, los orbitales hí­ bridos que se ilustran en el capítulo 10, tienen un diseño nuevo y actualizado.
Figura 10.7 Formació n de cuatro orbitales hibridos srr a partir de un orbital 2s y tres orbitales 2p. Los o rbitales srr apuntan hacia los vértices de un tetraedro.
También se han agregado nuevos di­ seños moleculares a los dibujos, las fotos y a varios problemas de cierre de capítu­ lo. Además, se ha actualizado el programa fotográfico para complementar la distri­ bución visual del diseño. Por último, el formato de todas las tablas periódicas en el texto también se ha renovado.
http://carlos2524.jimdo.com/
Prefacio
Problemas El desarrollo de las habilidades para la resolución de problemas siempre ha sido una meta fundamental en este texto. Por ejemplo, en la sección 3.8, el método general para resolver problemas de estequiometría se dividió en varios procesos escalonados. Este método se po­ ne en práctica inmediatamente después en el ejemplo 3.13. Asimismo, el ejemplo 3.14 re­ quiere que los estudiantes utilicen por sí mismos este mismo tipo de procedimiento.
Los comentarios al margen permiten aplicar nuevas habilidades a otros problemas si­ milares que se han ubicado al final del capítulo. A cada ejemplo resuelto le sigue un ejerci­ cio de práctica donde se requiere que los alumnos resuelvan un problema similar por su cuenta. Las respuestas a estos ejercicios se presentan al final de la sección de preguntas y problemas al final de cada capítulo.
El método geneml pam resolver problemas de cstcquiOl11ctría se resume a continua- ción
Escriba unnecuación balanceada de la reneción.
COllv icI1a la cantidad cOl1ocidadel rcactivo(en gramos II otras unid ades) a mímero de llloles.
3. Uti lice la relación rnolnr de la ecuación bal:mceada para calcular el número de moles del producto formado.
4. Convierta los moles de producto en gramos (u otras unidades) de producto
Ejemplo 3.13 Los alimcntu, quc sc ingieron son dcgmdados, o desdoblados. en el cuerpo pamproporcionllr Inenergínneces.ariapamelcrecimientoyotrasfuncioncs.L'IlX'uaci6ngeneral global pmaeste C{llllplicndo proceso está representnda por la degmdaciónde la glucosa ( C.H Il0 6) en dióxido de carbono (CO¡l yagua(H,O) '
C6H,P. + 6O¡_6CO. + 6H¡O
Si una persona consume 856 g de C~H'IO. durante cierto periodo. ~cuál será la masa de COl producida?
ESlrlllegia Segllll la ecuación balnnccada. ¿cómo se compamn las cantidades de C;H110 6 y COl? Se pueden comparar con b.1se en la re!"ciÓlllllo/"r de la ecuación balanceada, ¿Cómo se convierten lo, gmmos de C.H 110 6 en moles de este compuesto? Una vez que se determinan los moles de COl mediante la relación 1\10lar de la ecuación balanceada, ¿cómo se convienen cn gmmos de CO¡?
Solución Se siguen los pasos de la figllm 3.!!.
Paso 1: Luccuaci,ínbalaneeadaseproporcionaenel problema (colll imia)
Como profesor, siempre aconsejo a mis estudiantes que ela­ boren un diagrama del funcionamiento interno de un problema, lo cual es una valiosa herramienta de aprendizaje. En algunos de los ejemplos resueltos he incluido este tipo de dibujos (por ejemplo, vea ejemplo 16.10 en la página 724). Esto es lo que un científico haría al trabajar en un determinado problema.
Pa50 2: Para C<.lllvcrtir gmmos de C~H,;:ü~ a moles del mismo compuesto, se esc ri be
856 g..cr,H"Go;, x 1~~~;1g..~~~ '" 4.750 mol Cr,H I".!O~
P(1.\(J 3; En la relación molar, se observa que CJ11l0f, "" 6 moles CO" Por lo tanto. el numcro de moles de CO¡ formado es
4.150ruol·~x 1 :;~io;." 28.50 mol COl
P(I;'O 4; Por llltilHO, el oúmero de gramos de COI formado resulta de
28.50Ino¡..eo;x4~.~Z "" 1.25 x 16'gCO~
Con un poco de práctiea, se podráncombinur los rmsosde eonversión
gmmos de C6HllO,. _ moles de C6H,206- moles de CO2 _ gramos de COl
enllnueewción:
ma,adeC02=8S6g.C~X l~~~~X 1~~~x ~'~~;eC~2 = 1.25 x lO! gCO!
CJi1206?
Ejercido de práctica El metanol (CHJOH) se quema en ai re de acuerdo con la ecuación
Si se utiliz.'11l 209 g de metallol en IIn procesu de combustión. ¿cuál será la m~a de H,O pro· ducida?
Ejemplo 16.10 Exactamente 200 mL de BaCl2 0.0040 M sc mezclan con exactamente 600 mL de K ZS04 0.0080 M. ¿Se formará un precipitado?
Estrategia ¿En qué condiciones un compuesto iónico se precipita a partir de una disolución? Los iones en disolución son Bah , CI - , K+ Y SO~- . De fI(:uerdo con las regla~ de solubilidad enumeradas en la tabla 4.2 (página 123), el único precipitado que se puede formar es BaS04. A partir de la infomlación dada, se puede calcular rBa2+1 y [SO¡- ] debido a que se conoce el nú· mero de moles de los iones en las disoluciones originales y el volumen de la disolución combi­ nada. Después, se calcula el cociente de reacción Q(Q = lBa2+Jo[SO¡-]u) y se compara el valor de Q con K ¡>< de BaS04 para ver si se formará un prec ipitado, es decir, si la disolución es sobresaluJ"flda. Es de utilidad realizar un diagrama de la situación .
'}.tltlHlL..
MfJWIl18aCCt. ~
C6tl.»J~ "'? [SO~-Jp:: '!
Soluci6n El número de moles de BaH presentes en los 200 mL originales de disolución es
(colllil1úa)
xxv
http://carlos2524.jimdo.com/
xxvi Prefacio
La sección "Problemas especiales", i lo nuevo en es­ ta edición! , se ha formulado para presentar un desafío al alumno. Varios de estos pro­ blemas se han incluido al fi- . nal de cada capítulo.
Pedagogía
Problemas especiales
1.94 A un cajero bancario se le pide que anne juegos de un dólar cada uno en monedas para los clientes. Cada juego está compuesto de tres monedas de 25 centavos , una moneda de cinco centavos y dos monedas de 10 centavos cada una. Las masas de las monedas son: 5.645 g para la de 25 centavos, 4 .967 g para la de do· co centavos y 2.316 g para la de 10 centavos . ¿Cuál es el número máximo de juegos que pueden armarse a partir de 33.871 kg de monedas de 25 centavos , 10.432 kg de monedas de cinco centavos y 7.990 kg de monedas de 10 centavos? ¿Cuál es la masa total (en gramos) de esta colección de monedas?
1.98 Una química mezcla dos líquidos, A y B, para fonnar una mezcla homogénea. Las densidades de los líqui­ dos son 2.05 14 g/mL para A y 2.6678 g/mL para B. Cuando deja caer un pequeño objeto dentro de la mez­ cla, descubre que éste queda suspendido en el líquido, es decir, que ni flota ni se hunde. Si la mezcla se com­ pone de 41.37% de A y 58.63% de B, en volu men, ¿cuál es la densidad del metal? ¿Puede emplearse este procedimiento, en general , para determinar las densi­ dades de los sólidos? ¿Qué consideraciones se obtie­ nen al aplicar este método?
1.99 Suponga que se le proporciona un líquido. Describa brevemente los pasos que reali zaría para demostrar
Cada capítulo contiene una sección de apeltura titulada "Avance del capítulo" que proporciona a los estudiantes una visión general de los temas que se presentarán en ese capítulo.
Átomos, moléculas e iones
Ul labla periódica
ImroducciÓll a los compuest05 0rgánicos
Im~acolord.laerniaOn radiaclivaool radio (Ra). Los mo­ de\osmuestranelnúcleo oelf8 ' d io y los prod uctos de su descnmposicOOrlradiacti\l8; r¡. dón(Rn) y una parliculaaWa.la cual toene dos protones y dos III\I!ronO!s.EI~udiodela'.· diactrvidad ayudO a me;orar al conocomien:o da los coentllicos aCQICadetaestruclUfa alOmlca.
AVANCE DEL CAPÍTULO • Se iniciaclcsucaphuloconunape .... pecli\'lllúS!6ri.cadel3bU"'uN:Idel"'uni~fund..3men.
taJes de la maleria. La versióll moderna de la lrorea MÓmic:a fue ~ula.da por JoIUIlñlton en el Si&lOXIX, quien ;a!irm6q\IC los elementOS enaban eon~liluidos por p;mICllh.$ e:<I",rn:Kbmen. le pequeftas. l1arnadall ~Iomos.. TodO'llos ~omos de un elememo delcnt'linado son id~micol. pe. ro son di fe",ntcsde los:litom05de tOOos l05dem:is el emenloo . (2.1)
• Se observará que. mediante la e~perimentac ión.los c ientllico! hJn aprendido que un átomo es· lá constituido por tres partlc ulas elementales; protón. electron yne utTÓn . El protÓII tiene una carlla ~ti' ... elcleclrÓn una""gativ¡¡y c l""ulrónnO lie""Car¡¡¡&.Lo. procOllCsylos""ulro­ l1CS se locali zan en una pequc/la "'tiónen el « ntrodol :!tomo.denominada noclea. en ",moque losel«tmnes~ndlspersosalmledotdetll\lldco.c;eiUldi.stanc:iadefl.(2.2)
• Se analizarán las sllluicmes formas de idenli licar ~ el numero:u6mico es el nUmero de prolOnes en un DUel=. los 'tnmos de diferentes elementos tienen numeros at6micos difeTCntes Los iSÓlopos WIl :hornO'< del mismo elemento con un nGmero diferente de neutrones. El numc­ ro de masa es I:J. suma del mlmer,) de protoncs y ncutrone s e n un áto-mo. Dcbido a que u o dto . moes el~ctri camenteneutro, ccntjencunmln1<'roigualdeelcct ro""s ydeprotones. (2.3)
• Se obse .... '31á cómo se pueden Igrup3J 10$ elememos de acuerdo con sus propiedades fJ.ieas y qufmias en UmI. tabla oooocidl como labia periódic:a. La labia periódica permi .. c1:tsirocar los elememos (axoo melalts. metaloides y no metales) y CQlTeI~ S!U propieobdcs de m;IIICra siSlCmitica. (2.4)
• Se ,~n1 que los ¡¡tomos de la maror p"nc de los elC1!lenl05 intmIClPan para rOfma' compucs- 1M. lo¡ cuajes se clasi fiC3Jl como mol&:ulas OCOfll¡>UCSt05 ióniCO$ formados por Iones posili>'Os (cationes) e iones negativos (anione.). (2. S)
• Despu~s se aprender.! a utiliu r fÓ<mu las qulmic3.'l (moleculall" y empírkas) p;1m "'presenlnr moIkulas y oom puestos iónicos y mode los pilr:l representar moI~culllS. (2.6)
• Se anaJiur.i un COfIjunl<! de ",gi3s 'I\Ie ay\ld:uán 3 di! nom~ a los compuestos inor¡::l.nicos.. (2.7)
• E!.ce o;$pftulo termina 00II UIIOI bre,,,, imrocluc:ción al tc/lU del mundo orgánico 'Iue se rt1om~rá en el o;$phulo24. (2.8)
D~e~':::~::~:m:lde~ ~::~n:=~~~.::,:!:!! ~~~:. !:~:~ piM del ,i lllo XIX . En la aOlualid~d se ~be que toda la matona esm form~da por átomos, molk ulas e iones. La qulmica siempre se relaciona, de una u otro forma. con "SIM especies.
" ' ,,-1\
http://carlos2524.jimdo.com/
Los comentarios al margen proporcionan informa­ ción adicional sobre datos importantes, o remiten a algu­ na sección posterior en la cual se detallará con mayor profundidad determinado concepto o a una sección útil para repasar el material.
Las imágenes de modelos moleculares abundan en los márgenes, lo que permite a los estudiantes "ver" la molécula que se está analizando en el texto.
El icono de tabla periódica en el margen ilustra las propiedades de los elementos de acuerdo con sus posicio­ nes en la tabla.
l A H 2A 3A4ASA6A 7A
N o F el
8A
Al final del capítulo se proporcionan instrumentos de apoyo para el estudio adicional, como el Resumen de datos y conceptos y también las Palabras clave, los cua­ les proporcionan al estudiante una visión instantánea del capítulo que se está revisando.
Prefacio xxvü
CH,COOH
nium por completo. es decir, son electróli tos débi les. La iOllizaci6n del ácido a<;tlioo se re­ presenta como
donde CHJCOO' es el ion acetato. El tf nnino iOlli:JJción se utiJiu para describir la separ.:!­ ción de k idos y bases en iones.. Al escribir la fórmula del ácido acéti ro como CH,cOOH. se indica que e l protón ionizable está e ll el grupo COOH.
La ionización del ácido acético se escribe con doble flecha ¡»m indicar que la refJcci6n es rCI'crsible, es deci r. la rtucci6n puede $Iu::eder en ambos l 'lmtido:f. Inicialmellle, varias moléculas de CH¡COOH se separan en iones C H)COO' y H+, Con el ti e mpo. ulgunos io­ nes CHJCOO' y H ~ vuelven a combin3rse pora forma r moléclllns de C H1COOH. finalm en­ te, se llega a un est~do en e l que las mol~cu l as de ácido se ioniziln con la misma rnp idcz con laque vue lve n n combinarse los iones. A es te estado químico, cncl quc no se obseTVa cambio ne to alguno (aunque a nivel molecula r continúa la actividad) se le llama equilibrio qu(mico. El ácido acético es, entonce,o¡, un e lectról ito débil porque su ionización en agua es incompleta. En cont rnste, en una disoluc ió n de ácido clorhídrico los iones H ' Y CI- no tien­ den a \'olver a combinarse para formar HCI molecular. Por lo tanto, se util iza una sola ne­ cha para indicar q ue su ionización es completa.
4.2 Reacciones de precipitación
La reacci6n de precipitaci6n es un tipo común de reacción en disolución acuosa que u cu· mcteri<fl por luforl/loci6n de urr prool/cto insoluble o precipitado. Un pruipitada es un s6· lido irlSolub/e que se separu de lu düo{uci611. En las reacciones de precipitación por lo genera l partidpM compuestos iónicos. Por ejemplo, cuando se agrega una disolución acuo· sa de nitrato de plomo [Pb(NOJ)2[ a una disolución acuosa de yoduro de potas io (KI), se fonna un precip itado nmarillo de yodllro de plomo (Pbl l ):
El nitmlo de pobsio queda en disolución. L .. fi gura 4.3 muest ra cI progreso de esta r~c­
ción. La reacción nnterior es un ejemplo de una reacci6n de metótesis (ta mbif n se denomi­
na reacción de doble desplazamiento), (JI/a "occi6" qlfe implica ti imen:wnbio de partes em" dos compuestos. (En este caso, los cationes en los dos oompuestos intercambian a.nio-
http://carlos2524.jimdo.com/
XXV IlJ Prefacio
MATERIALES DE APOYO Esta obra cuenta con interesantes complementos que fortale­ cen los procesos de enseñanza-aprendizaje, así como la eva­ luación de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener más infor­ mación y conocer la política de entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill.
Reconocimientos Me gustaría reconocer el trabajo de los siguientes revisores y grupo de participantes, cuyos comentarios fueron de gran ayuda para InÍ en la preparación de esta nueva edición:
Rex D. Ackerson Northern Oklahoma College
Jeff Anderson Murray State University
Jeff Appling Clemson University
Alexandru Bajaban Texas A & M University-Galveston
David Ball Cleveland S/ate University
Mufeed Basti North Carolina A & T Sta/e University
Alan Bates University of Massachusetts- Dartmouth College
Colin Bateman Brevard Community CoLlege
Sr. Joanne Bauer Xavier University
Paul Benoit University of Arkansas
Laine Berghout Weber State University
Conrad Bergo East Stroudsburg University
Richard Biagioni Missouri State University
Christine Bilicki Pasadena City College
Dan Black Snow College
Wayne Bosma Bradley University
David Boyajain Palomar College
W. Lin Coker III Campbell University
Robert Cordell Heidelberg College
Gary DeBoer LeTorneau University
Mary Kate Donais Saint Anselm College
Bill Durham University of Arkansas
Jeffrey Evans University of Southem Mississippi
Dr. Ewane Houston Community College
"red Fickel Los Angeles Valley College
Neil Fitzgerald Marist College
Krishna Foster California Slate University-Los Ángeles
Kristeen Fukunaga Palomar College
Roy Garvey North Dakota State University
Natarajan Geetha Palomar College
Alicia Glatfelter Wilkes University
Harold Goldwhite Cal!fornia State University-Los Ángeles
Lisa Goss ldaho State University
Gary Gray University o.f Alabama-Birnúngharn
Gregory R. Hale University o.f Texas at Arlington
Dale Hawley Kansas State University
Sherman Henzel Monroe Communiry College
arayan Hosmane Northern Illinois Un iversity
Larry Houk University of Memphis
Byron Howell 7:yler Junior College
Wendy Innis-WhitehoLlse Universiry of Texas-Pan American
Richard Jarman College of DuPage
Eric Johnson Ball Sta te University
Stacy Jones Northwest Mississippi Community College
Carolyn Judd Houston Community College
Don Jurkowitz Community College of Rhode [sland
Kirk Kawagoe Fresno City College
Robert Keil Moorpark College
Patrick Ko lniak Louisiana State University
Gerald Korenowski Rensselaer Polytechnic Institute
Peter Krieger Palm Beach Community College
Bette A. Kreuz University of Miclúgan-Dearborn
Lennart H. Kullberg Winthrop Uni versily
Jothi V. Kumar North Carolina A & T State University
Brian Lamp Truman State University
John Larese University ofTennessee-Kn.oxville
Daniel Lawson University of Michigan-Dearborn
Clifford LeMaster Boise State University
Michael Lerner Oregon State
Shannon Lieb Butler University
Arthur Low Tarleton University
Donald Mencer Wilkes University
Dave Metcalf University ofVirginia
Renee R. Muro Oakland Community College
Chip Nataro LaFayette College
Daphne Norton Emory University
Tom Otieno Eastern Kentucky University
Jason Overby College ofCharleston
Manoj Patil Western Iowa Technical Community College
Les Pesterfield Western Kentucky University
Karl Peterson University ofWisconsin-River Falls
Gary Pfeiffer Ohio University-Athens
Henry Po California State University-Long Beach
Steve Pruett Jefferson Community College
Judy Ratliff Murray State University
Carey S. Reed Penn State-Altoona
JelTy Reed-Mundell Cleveland State University
Michelle Richards-Babb West Virginia University
B. Ken Robertson University of Missouri-Rolla
Rhonda Robertson Jones Junior College
Ellen Roskes Villa Julie College
Tim Royappa University ofWest Florida
James Rozell Tyler Junior College
Susan Rutkowsky Drexel University
Arthur Salido Mercer University
Dennis Sardella Boston College
Nelson Scott California State Polytechnic University
Will Seltzer University of Alabama-Huntsville
Supriya Sihi Houston Community College
Alka Shukla Houston Community College
Shyam Shukla Lamar University
Kathie Snyder Winthrop University
Alan Stolzenberg West Virginia University
Kathy Thrush Villanova University
Richard Toomey Northwest Missouri State University
Frank TOlTe Springfield College
Dragic Vukomanovic University of Massachusetts- Dartmouth
Rosie Walker Metropolitan State College of Denver
Sheryl Wallace South Plains College
Jeffrey Wardeska East Tennessee State University
Phil Watson Oregon State University
David Weiss University of Colorado at Colorado Springs
Tracy Willis Texas Southern University
Klaus Woelk University of Missouri-Rolla
Frank Woodruff University of Southern Mississippi
John Young Mississippi Sta te University
James Zirnmerman Missouri Sta te University
También quisiera agradecer a las siguientes personas por su contribución en los problemas al final de cada capítulo:
Nancy Gardner California State University-Long Beach
John Hagen California Polytechnic State University-San Luis Obispo
Michael Jones Texas Tech University
Jason Overby College ofCharleston
Philip Reid University ofWashington
Como siempre, me he beneficiado de las pláticas con mis colegas en Williams College y de la cOlTespondencia con muchos profesores internos y externos.
http://carlos2524.jimdo.com/
xxx Prefacio
Es un placer agradecer el apoyo que me han brindado los siguientes miembros de la división de estudios universi­ tarios: Tammy Ben, Doug Dinardo, Chad Grall, Tracy Kon­ rardy, Kara Kudronowicz, Marty Lange, Michael Lange y Kurt Strand. En particular, me gustaría mencionar a Gloria Schiesl por supervisar la producción en condiciones de tiem­ po muy limitadas, a David Hash por el diseño del libro, a John Leland por la investigación fotográfica, a Jake Theo­ bald y Judi David por los recursos multimedia y a Tami Hod-
Agradecemos la valiosa contribución de los siguientes profesores que participaron en la asesoría técnica de la versión en español de la novena edición:
Susana Francisca Llesuy Universidad de Buenos Aires
María del Carmen Grande Universidad de Buenos Aires
Javier Ramírez Angulo ITESM, campus Estado de México
Silvia Ponce López ITESM, campus Monterrey
Nancy Martin Guaregua Universidad Autónoma Metropolitana­ Iztapalapa
Verónica Martínez Miranda Universidad Autónoma del Estado de México campus Toluca
Jorge Noriega Gaxiola Instituto Tecnológico de Culiacán
Teresa Ávalos Munguía CUCEI, Universidad de Guadalajara e ITESM, campus Guadalajara
ge, directora de marketing, por sus sugerencias y estímulo. También agradezco al editor de patrocinio, Thomas Timp, y al editor, Kent Peterson, por su apoyo y consejos. Por último, mi agradecimiento especial a Shirley Oberbroeckling, edito­ ra de desarrollo, por su cuidado y entusiasm~ en el proyecto, y por su supervisión en cada etapa de la elaboración de esta edición.
Raymond Chang
Irma Salgado Escobar ITESM, campus Ciudad de México
Ma. del Carmen Doria Serrano Universidad Iberoamericana, Ciu­ dad de México
Ana María Mutio ITESM, Campus Toluca
PaoJa Zarate Segura ESIME, Instituto Politécnico Nacional-Cul­ huacán
Daisy Escobar Castillejos Universidad Autónoma de Chiapas
Geolar Fetter Universidad de las Américas Puebla y Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Araceli Florido Segoviano ITESM, campus Querétaro
Carmen Ma. Bojórquez Aldapa Instituto Tecnológico de Culiacán
http://carlos2524.jimdo.com/
L a química general se percibe, comúnmente, como una materia más difíc.il que otras. Existe cierta justifica­ ción para tal creencia. Por una parte, tiene un lengua­
je muy especializado. Al prinCIpIO, estudiar qUllllica es como aprender un nuevo idioma. Más adelante, algunos de los conceptos son abstractos. Sin embargo, con cierto esmero, el estudiante completará con éxito este curso e inclu­ so lo disfrutará. He aquí sugerencias que le ayudarán a for­ mar buenos hábitos de estudio y a dominar el material de este texto:
• Asista a clases regularmente y tome notas con cuidado.
• Si es posible, repase siempre los temas analizados en clase el mismo día que se cubrieron. El libro le ayudará a completar sus apuntes.
• Piense de manera crítica. Pregúntese si en verdad com­ prendió el significado de un término o el, uso de una ecuación. Una buena manera de comprobar su compren­ sión es explicar un concepto a un compañero de clase o a otra persona.
• No dude en pedir ayuda al profesor o a su asistente.
Las henamientas de la novena edición de Química fueron di­ señadas para capacitarlo en el buen desempeño dentro de su curso de química general. La siguiente guía explica cómo obtener plena ventaja del texto, la tecnología y otras herra­ mientas.
• Antes de entrar de lleno a un capítulo, revise la organi­ zación del mismo y lea la introducción para darse una idea de los temas importantes. Tome apuntes en clase con base en la organización del capítulo.
• Al final de cada capítulo aparece un resumen de datos y conceptos, así como una lista de palabras clave, que le ayudarán a prepararse para los exámenes.
• Las definiciones de las palabras clave pueden estudiarse en contexto en las páginas señaladas en la lista al final del capítulo, o bien, en el glosario del libro.
• El estudio cuidadoso de los ejemplos numerados, que se intercalan en el cuerpo de cada capítulo, mejorará su ha­ bilidad para analizar los problemas y efectuar los cálcu­ los necesarios para resolverlos. Tómese su tiempo para trabajar en el ejercicio que sigue a cada ejemplo, pues le servirá para asegurarse de haber comprendido la forma de resolver el tipo de problema en turno. Las respuestas a los ejercicios aparecen al final del capítulo, después de los problemas de tarea. Para una práctica adicional, re­ mítase a los problemas similares indicados en el margen junto al ejemplo.
• Las preguntas y los problemas al final de capítulo fue­ ron organizados por sección.
• La parte interior de la cubierta muestra una lista de cifras importantes y de tablas con referencias a las pági­ nas. Este índice facilita buscar con rapidez la informa­ ción cuando usted se encuentra resolviendo problemas o estudiando problemas relacionados en diferentes capí­ tulos.
Si sigue estas sugerencias, y se mantiene al día con sus tareas, encontrará que la química es desafiante, pero menos difícil y mucho más interesante de lo que imaginó.
Raymond Chang
xxxi
http://carlos2524.jimdo.com/
http://carlos2524.jimdo.com/
Química
http://carlos2524.jimdo.com/
Química
Un globo lleno de hidrógeno ex­ plota al calentarlo con una flama. El hidrógeno gaseoso reacciona con el oxígeno que está en el ai­ re para formar vapor de agua. La química es el estudio de las pro­ piedades de la materia y de los cambios que ésta experimenta. Los modelos presentan las mo­ léculas de hidrógeno, oxígeno y agua.
El estudio del cambio
1.2 El estudio de la química
1.3 . El método científico
1.5 Los tres estados de la materia
1.6
1.7
1-8
1.9
Mediciones
Análisis dimensional en la resolución de problemas
http://carlos2524.jimdo.com/
AVANCE DEL CAPÍTULO • Este capítulo da inicio con una breve introducción al estudio de la química y su función dentro
de la sociedad moderna. (1.1 y 1.2)
• A continuación se conocerán las bases del método científico, el cual es una metodología siste­ mática para la investigación en todas las disciplinas. (1.3)
• Se definirá el concepto de materia y se observará que una sustancia pura puede ser un elemen­ to o un compuesto. Se distinguirá entre una mezcla homogénea y una heterogénea. Se aprende­ rá que, en principio, toda la materia puede existir en cualquiera de tres estados: sólido, líquido o gaseoso. (1 04 Y 1.5)
• Para caracterizar una sustancia es necesario conocer sus propiedades físicas, las cuales son ob­ servables sin que sus propiedades químicas e identidad sufran cambio alguno, lo que sólo pue­ de demostrarse mediante cambios químicos. (1.6)
• Debido a que la química es una ciencia experimental, implica el uso de las mediciones. Se co­ nocerán las unidades básicas del SI (Sistema Internacional de medidas) y se emplearán sus uni­ dades derivadas en cantidades como el volumen y la densidad. También se estudiarán las tres escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit y Kelvin. (1.7)
• Con frecuencia, los cálculos químicos implican el uso de cantidades muy pequeñas o muy gran­ des, y una manera conveniente para tratar con algunas de estas cifras es la notación científica. En los cálculos o mediciones cada cantidad debe presentar el número adecuado de cifras signi­ ficativas, las que corresponden a dígitos importantes. (1.8)
• Por último, se entenderá la utilidad del análisis dimensional para los cálculos químicos. Allle­ var cada unidad a lo largo de la secuencia completa de cálculos, todas las unidades se cancelan, a excepción de la cantidad buscada. (1.9)
L a química es una ciencia activa y en evolución que tiene importancia vital en nuestro planeta, tanto en la naturaleza como en la sociedad. Aunque sus raíces son antiguas, la química es en to­
dos sentidos una ciencia moderna, como se verá poco más adelante. Se iniciará el estudio de la química en el nivel macroscópico, en el que es posible observar y
medir los materiales que forman nuestro mundo. En este capítulo se analizará el método científico, que es la base para la investigación no sólo en química, sino también en las demás ciencias. Luego, se descubrirá la forma en que los científicos definen y caracterizan a la materia. Posteriormente, se conocerán los sistemas de medición usados en el laboratorio. Por último, se dedicará un poco de tiempo al aprendi zaje del manejo de los resultados numéricos de las mediciones químicas y a la re­ solución de problemas numéricos. En el capítulo 2 dará inicio la exploración del mundo microscó­ pico de átomos y moléculas.
3
http://carlos2524.jimdo.com/
4 Química: El estudio del cambio
El ideograma chino para el término quími­ ca significa "el estudio del cambio".
1.1 Química: una ciencia para el siglo XXI
La química es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella. Es frecuente que se le considere como la ciencia central, ya que los conocimientos básicos de química son indispensables para los estudiantes de biología, física, geología, ecología .y muchas otras disciplinas. De hecho, la química es parte central de nuestro estilo de vida; a falta de ella, nuestra vida sería más breve en lo que llamaríamos condiciones primitivas, sin automóvi­ les, electricidad, computadoras, discos compactos ni muchas otras comodidades modernas.
Aunque la química es una ciencia antigua, sus fundamentos modernos se remontan al siglo XIX, cuando los adelantos intelectuales y tecnológicos permitieron que los científicos separaran sustancias en sus componentes y, por lo tanto, explicaran muchas de sus carac­ terísticas físicas y químicas. El desarrollo acelerado de tecnología cada vez más refinada durante el siglo xx nos ha brindado medios cada vez mayores para estudiar lo que es ina­ preciable a simple vista. El uso de las computadoras y microscopios especiales, por citar un ejemplo, permite que los químicos analicen la estructura de los átomos y las moléculas -las unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la química- y diseñen nue­ vas sustancias con propiedades específicas, como fármacos y productos de consumo no contaminantes.
En este principio del siglo XXI conviene preguntarse qué función tendrá la ciencia cen­ tral en esta centuria. Es casi indudable que la química mantendrá una función fundamental en todas las áreas de la ciencia y la tecnología. Antes de profundizar en el estudio de la ma­ teria y su transformación, consideremos algunas fronteras que los químicos exploran actual­ mente (figura l.1) . Sin importar las razones por las que el estudiante tome un curso de introducción a la química, el conocimiento adecuado de esta disciplina le permitirá apreciar sus efectos en la sociedad y en su propia persona.
Salud y medicina Tres logros importantes en el siglo xx han permitido la prevención y tratamiento de enfer­ medades. Se trata de medidas de salud pública que establecieron sistemas sanitarios para proteger a numerosas personas contra enfermedades infecciosas; la cirugía con anestesia, que ha posibilitado a los médicos para curar enfermedades posiblemente mortales, como la apendicitis, y el advenimiento de vacunas y antibióticos, que hicieron factible la prevención de enfermedades causadas por microorganismos. La terapia génica al parecer será la cuar­ ta revolución en la medicina. (Los genes son la unidad básica de la herencia.) Se cuentan por miles las enfermedades conocidas, entre ellas la fibrosis quística y la hemofilia, ocasio­ nadas por un daño heredado de un solo gen. Muchos otros padecimientos, como cáncer, en­ fermedades cardiacas, SIDA y artritis, resultan hasta cierto punto de alteraciones de uno o más genes relacionados con los sistemas de defensa del organismo. En la terapia génica se inserta un gen sano específico en las células del paciente para curar o aminonu: esos tras­ tornos. A fin de ejecutar esos procedimientos, el médico debe tener conocimientos sólidos de las propiedades químicas de los componentes mOleculare,s implicados. La descodifica­ ció n del genoma humano, que comprende todo el material genético de nuestro organismo y desempeña una función esencial en la terapia génica, se basa principalmente en técnicas químicas.
Los químicos de la industria farmacéutica investigan fármacos potentes con pocos o nu­ los efectos adversos para el tratamiento del cáncer, SIDA y muchas otras enfermedades, ade­ más de fármacos para aumentar el número de trasplantes exitosos de órganos. En una escala más amplia, mejorar nuestra comprensión sobre el mecanismo del envejecimiento permitirá lograr esperanza de vida más prolongada y saludable para los habitantes del planeta.
Energía y ambiente La energía es un producto secundario de muchos procesos químicos, y al continuar el au­ mento en su demanda, tanto en países industrializados, entre ellos Estados Unidos, como en
http://carlos2524.jimdo.com/
a) b)
e)
Figura 1.1 a) Resultado de un equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada línea muestra una secuencia (indicada por colores distintos) obtenida de muestras distintas de ADN. b) Celdas fotovoltaicas. c) Oblea de silic io en fabricac ión. d) La hoja de la izquierda se tomó de una planta de tabaco no sometida'a ingeniería genética y expuesta a la acción del gusano del tabaco. La hoja de la derecha sí fue sometida a ingeniería genética y apenas la atacaron los gusanos. Es facti ble aplicar la misma técnica para proteger las hojas de otros tipos de plantas.
naciones en vías de desarrollo, como China, los químicos intentan activamente encontrar nuevas fuentes de energía. En la actualidad, las principales fuentes de energía son los com­ bustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Las reservas estimadas de estos combus­ tibles durarán otros 50 a 100 años con el ritmo actual de consumo, por lo que es urgente encontrar fuentes alternas.
La energía solar al parecer es una fuente viable de energía para el futuro . Cada año, la superficie terrestre recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energía contenida en to­ das las reservas conocidas de carbón, petróleo, gas natural y uranio combinadas. Sin em­ bargo, gran parte de esa energía se "desperdicia" al reflejarse hacia el espacio exterior. En los últimos 30 años , las intensas actividades de investigación han mostrado que la energía solar puede aprovecharse con efectividad de dos maneras. Una de ellas es su conversión di­ recta en electricidad mediante el uso de dispositivos llamados celdas fotovoltaicas. La otra consiste en usar la luz solar para obtener hidrógeno a partir del agua. Luego, el hidrógeno alimenta a una celda combustible para generar electricidad. Aunque se han logrado ade­ lantos en los conocimientos del proceso científico de conversión de la energía solar en elec­ tricidad, la tecnología todavía no ha mejorado al punto de que sea factible producir electricidad en gran escala y con costo económicamente aceptable. Sin embargo, se ha pre­ dicho que para el año 2050 la energía solar satisfará más de 50% de las necesidades ener­ géticas.
5
http://carlos2524.jimdo.com/
6 Química: El estudio del cambio
Otra posible fuente de energía es la fisión nuclear, si bien el futuro de la industria nu­ clear en Estados Unidos y otros países es incierto a causa de preocupaciones ambientalis­ tas sobre los desechos radiactivos de los procesos de fisión. Los químicos pueden ayudar en el mejoramiento del destino final de los desechos nucleares. La fusión nuclear, el proceso que ocurre en el sol y otras estrellas, genera enormes cantidades de energía.sin producir mu­ chos desechos radiactivos peligrosos. Al cabo de otro medio siglo, es probable que la fusión nuclear se convierta en una fuente significativa de energía.
La producción y utilización de la energía se relacionan estrechamente con la calidad del ambiente. Una desventaja importante de quemar combustibles fósiles es que se produce dió­ xido de carbono, que es uno de los gases de invernadero (es decir, los que promueven el ca­ lentamiento de la atmósfera terrestre), además de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, que producen la lluvia ácida y el esmog. (El aprovechamiento de la energía solar no tiene esos efectos nocivos en el ambiente.) El uso de automóviles eficientes en el consumo de combus­ tibles y de convertidores catalíticos más efectivos debe pennitir una reducción considerable de las emisiones automotrices nocivas y el mejoramiento de la calidad de la atmósfera en las áreas con tránsito vehicular intenso. Además, debe aumentar el uso de automóviles eléctricos equipados con baterías duraderas y de automóviles híbridos, alimentados por baterías y ga­ solina, lo que ayudará a minimizar la contaminación atmosférica.
Materiales y tecnología La investigación y el desarrollo de la química en el siglo xx han generado nuevos materia­ les con efecto de mejoramiento profundo de la calidad de vida y han ayudado a mejorar la tecnología de diversas maneras. Unos cuantos ejemplos son lbs polímeros (incluidos el cau­ cho y el nailon) , la cerámica (como la que se usa en utensilios de cocina), los cristales lí­ quidos (como los de las pantallas electrónicas), los adhesivos (como los usados en notas adherentes) y los materiales de recubrimiento (por ejemplo, las pinturas de látex).
¿Qué nos reserva el futuro cercano? Algo muy probable es el uso de materiales super­ conductores a temperatura ambiente. La electricidad se conduce por cables de cobre, que no son conductores perfectos. Por consiguiente, casi 20% de la energía eléctrica se pierde en forma de calor entre la planta generadora de electricidad y los hogares u oficinas, lo que constituye un desperdicio enorme. Los superconductores son materiales desprovistos de re­ sistencia eléctrica, y por lo tanto conducen la electricidad sin pérdida de energía. Aunque el fenómeno de la superconductividad a temperaturas muy bajas (más de 400 grados Fahren­ heit por debajo del punto de congelación del agua) se ha conocido durante más de 80 años, un adelanto importante a mediados del decenio de 1980 reveló que es posible fabricar ma­ teriales que actúen como superconductores a la temperatura ambiente o cerca de ella. Los químicos han ayudado en el diseño y síntesis de nuevos materiales promisorios en dicha búsqueda. En los 30 años siguientes, veremos la aplicación en gran escala de superconduc­ tores a altas temperaturas en la resonancia magnética de imágenes (RMI), trenes de levita­ ción magnética y fusión nuclear.
Si fuera necesario mencionar un adelanto tecnológico que ha conformado nuestras vi­ das más que ningún otro, habría que señalar a las computadoras. El "motor" que impulsa la revolución de las computadoras es el microprocesador -el diminuto chip de silicio que ha servido de base para numerosas invenciones, como las computadoras portátiles y apamtos de fax-. La eficiencia de los microprocesadores se juzga según la velocidad con la que rea­ lizan operaciones matemáticas, como la suma. El ritmo del progreso es tal que desde su ad­ venimiento se ha duplicado la velocidad de los microprocesadores cada 18 meses. La calidad de un microprocesador depende de la pureza del chip de silicio y de la capacidad para agregar la cantidad necesaria de otras sustancias, situación en que los químicos desem­ peñan una función importante en la investigación y desarrollo de chips de silicio. En el fu­ turo, los científicos empezarán a explorar las perspectivas de la "computación molecular", es decir, la sustitución del silicio con moléculas. Las ventajas radican en que puede lograr­ se que ciertas moléculas respondan a la luz, no a los electrones, con lo que se tendrían
http://carlos2524.jimdo.com/
computadoras ópticas, no electrónicas. Con base en la ingeniería genética apropiada, los científicos pueden sintetizar esas moléculas con microorganismos, que sustituirían a gran­ des fábricas. Las computadoras ópticas también tendrían una capacidad mucho mayor de almacenamiento que las electrónicas.
Alimentos y agricultura ¿Cómo alimentar a la creciente población mundial? En países pobres, casi 80% de la fuer­ za laboral se dedica a la producción agrícola y la mitad del presupuesto familiar promedio se gasta en alimentos. Ello constituye una carga enorme para los recursos de esas naciones. Los factores que afecta~l a la producción agrícola son la riqueza del suelo, los insectos y en­ fermedades que dañan a los cultivos, y otras plantas que compiten por los nutrientes. Ade­ más de la irrigación, los agricultores recurren a fertilizantes y plaguicidas para mejorar la productividad de sus cultivos. Desde el decenio de 1950, el tratamiento de los cultivos in­ festados por plagas ha consistido a veces en la aplicación indiscriminada de compuestos químicos potentes. Es frecuente que tales medidas hayan tenido efectos nocivos graves en el ambiente. Inclusive el uso excesivo de fertilizantes es dañino para el suelo, el agua y la atmósfera.
A fin de satisfacer la demanda de alimentos en el siglo XXI, deben idearse estrategias novedosas para la actividad agrícola. Se ha demostrado ya que con la biotecnología es po­ sible obtener cultivos más abundantes y de mejor calidad. Estas técnicas se han aplicado a muchos productos agrícolas , no sólo para mejorar su producción, sino también para obte­ ner más cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que cierta bacteria produce una proteína tó­ xica para las orugas que comen hojas. La inclusión del gen que codifica la toxina en las plantas cultivadas les brinda protección contra ellas, de modo que no se requieran los pes­ ticidas. Los investigadores también han encontrado la forma de prevenir la reproducción de las plagas de insectos. Los insectos se comunican entre sí al emitir moléculas especiales, llamadas feromonas, ante las cuales reaccionan. La identificación y la síntesis de feromonas implicadas en el apareamiento permite interferir en el ciclo reproductivo normal de pla­ gas comunes, por ejemplo, al inducir el apareamiento reproductivo prematuro de los insec­ tos o engañar a las hembras para que se acoplen con machos estériles. Por añadidura, los químicos pueden idear formas de aumentar la producción de fertilizantes menos dañinos para el ambiente y sustancias que eliminen selectivamente a las hierbas nocivas.
1.2 El estudio de la química
En comparación con otras disciplinas, es habitual la idea de que la química es más difícil, al menos en el nivel básico. Dicha percepción se justifica hasta cierto punto; por ejemplo, es una disciplina con un vocabulario muy especializado. Sin embargo, inclusive si éste es el primer curso de química que toma el estudiante, ya está familiarizado con el tema mucho más de lo que supone. En las conversaciones cotidianas, se escuchan palabras relacionadas con la química, si bien no necesariamente usadas en el sentido científicamente correcto. Son ejemplo de ello términos como "electrónica", "salto cuántico", "equilibrio", "catalizador", "reacción en cadena" y "masa crítica". Además, si el lector cocina, ¡entonces es un quími­ co en ejercicio! Gracias a su experiencia en la cocina, sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que si deja hervir el agua en la estufa llega un momento en que se evapora por completo. También aplica los principios de la química y la física cuando usa el bicaóona­ to de sodio en la elaboración de pan; una olla a presión para abreviar el tiempo de prepara­ ción de guisos, y añade ablandador de carnes a un platillo, exprime un limón sobre rebanadas de pera para evitar que se tornen parduscas o sobre el pescado para minimizar su olor, o añade vinagre al agua en la que cuece huevos. Todos los días observamos esos cam­ bios sin pensar en su naturaleza química. El propósito de este curso es hacer que el estu-
7
http://carlos2524.jimdo.com/
8 Química: El estudio del cambio
Figura 1.2 Vista molecular simplificada de la formación de la herrumbre (Fe20 3) a parti r de átomos de hierro (Fe) y moléculas de oxíge­ no (02 ), En realidad, el proceso requ iere agua y la herrumbre también contiene moléculas de agua.
diante piense como químico, que vea el mundo macroscópico -lo que podemos ver y to­ car directamente- y visualice las partículas y fenómenos del mundo microscópico que no podemos experimentar sin la tecnología moderna y nuestra imaginación.
Al principio es factib le que al estudiante le resulte confuso que su profesor de química y este libro alternen continuamente entre los mundos microscópico y macroscópico. Sim­ plemente debe tener en mente que los datos de las investigaciones químicas suelen prove­ nir de observaciones de fenómenos a gran escala, si bien las explicaciones suelen radicar en el mundo microscópico invisible e imaginario de átomos y moléculas. En otras palabras, los químicos frecuentemente ven algo (en el mundo macroscópico) y piensan en algo más (en el mundo microscópico). Por ejemplo, al observar los clavos oxidados de la figura 1.2, un químico pensaría en las propiedades básicas de los átomos individuales de hierro y la for­ ma en que interaccionan dichas unidades con otros átomos y moléculas para producir el cambio observado.
1.3 El método científico
Todas las ciencias, incluidas las sociales, recurren a variantes de lo que se denomina méto­ do científico, que es un enfoque sistemático para la investigación. Por ejemplo, un psicó­ logo que pretende indagar el efecto del ruido en la capacidad de las personas para aprender química y un químico interesado en medir el calor liberado por la combustión del hidróge­ no gaseoso en presencia de aire utilizarían aproximadamente el mismo procedimiento en sus investigaciones. El primer paso consiste en definir minuciosamente el problema. El si­ guiente es realizar experimentos, elaborar observaciones detalladas y registrar la informa­ ción, o datos, concernientes al sistema, es decir, a la parte del universo que se investiga. (En los ejemplos recién mencionados, los sistemas son el grupo de personas que estudia el psi­ cólogo y una mezcla de hidrógeno y aire, respectivamente.)
Los datos obtenidos en una investigación pueden ser cualitativos, o sea, consistentes en observaciones generales acerca del sistema, y cuantitativos, es decir, comprende los nú-
http://carlos2524.jimdo.com/
11 Observación I:-------.¡; I Representación l:-------.¡-I t
meros obtenidos de diversas mediciones del sistema. En general, los químicos usan símbo­ los y ecuaciones estandarizados en el registro de sus mediciones y observaciones. Esta for­ ma de representación-no sólo simplifica el proceso de registro, sino que también constituye una base común para la comunicación con otros químicos.
Una vez terminados los experimentos y registrados los datos, el pa